工業(yè)分析綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的研究

田曉溪，姜 軍,2，艾 天，閆立東

(1.遼寧科技大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.山東華魯恒升集團(tuán)有限公司，山東 德州 253024)

應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的工業(yè)分析方向?qū)I(yè)實(shí)驗(yàn)是本專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)最后一門綜合性實(shí)驗(yàn)課程，是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。專業(yè)實(shí)驗(yàn)課可以將學(xué)生所學(xué)理論知識與實(shí)踐緊密地結(jié)合，從而建立完整的理論和實(shí)踐體系，是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能的重要環(huán)節(jié)。工業(yè)分析方向的專業(yè)實(shí)驗(yàn)是建立在基礎(chǔ)化學(xué)，儀器分析等課課程實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，要求學(xué)生能夠運(yùn)用基礎(chǔ)化學(xué)和儀器分析知識和技能解決本專業(yè)的實(shí)際問題[1]。之前實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)偏少，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間，及與其它課程之間缺乏關(guān)聯(lián)性和延續(xù)性，學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)和接觸實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的機(jī)會(huì)都有限，限制了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的發(fā)展。開設(shè)新穎、難度適中的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必由之路，是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用、創(chuàng)新等綜合能力的重要手段。

1 綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選題

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)指的是學(xué)生在掌握一定理論知識和基本操作技能基礎(chǔ)上，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析問題、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等能力進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合型的實(shí)驗(yàn)。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，有助于學(xué)生了解完整的研究工作，對提高學(xué)生動(dòng)手能力、操作技能、理論聯(lián)系實(shí)際、分析解決問題的能力均有重要作用[2]。針對本院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，結(jié)合本專業(yè)老師科研項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)室條件和生產(chǎn)實(shí)際，將基礎(chǔ)理論知識、實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法加以歸納、融合，設(shè)計(jì)了一系列應(yīng)用化學(xué)工業(yè)分析方向綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)打下了良好的基礎(chǔ)。

羧甲基淀粉鈉(CMS-Na)又稱為羧甲基淀粉，它是淀粉與氯乙酸在堿性條件下反應(yīng)制得的一種水溶性變性淀粉，簡稱CMS；它具有分散、乳化、增稠、粘結(jié)等多種性能，因此廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、造紙、紡織、化工等行業(yè)。羧甲基淀粉的葡萄糖單元上的羥基被取代的程度，即平均每個(gè)失水葡萄糖單元上被反應(yīng)試劑取代的數(shù)目，稱為CMS的取代度[3]。取代度對淀粉性質(zhì)影響較大，因此，快速、方便、準(zhǔn)確地測定羧甲淀粉的取代度顯得尤為重要。目前取代度的測定方法主要有：灰化法、電導(dǎo)法、間接原子吸收法、絡(luò)合滴定法、分光光度法等[4-8]。本文以羧甲基淀粉取代度測定為例，設(shè)計(jì)一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，即在灰化法基礎(chǔ)上采用電位滴定法測定CMS的取代度。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

(1) 了解羧甲基淀粉應(yīng)用，取代度的測定原理和計(jì)算方法；

(2) 了解樣品的前處理方法；

(3) 掌握自動(dòng)電位滴定儀使用和測定方法；

(4) 掌握E-V曲線和一階微商曲線、二階微商曲線確定滴定終點(diǎn)方法。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

純化后的羧甲基淀粉樣品在高溫條件下充分灼燒，定量轉(zhuǎn)化為燃燒后的氧化物Na2O，再加入過量的鹽酸溶解，采用電位滴定法，用NaOH進(jìn)行返滴定，記錄滴加體積V和溶液的電位E值，繪制電位滴定滴定曲線，在曲線上找到滴定終點(diǎn)，從而求出消耗NaOH體積，再根據(jù)公式計(jì)算CMS取代度。取代度計(jì)算公式如下：

B=(CHCl×VHCl-CNaOH×VNaOH)/WCMS

DS=0.162B/(1-0.08B)

DS：CMS樣品的取代度；

B：每1 g樣品含有的羧甲基量，mmol/g；

WCMS：純化后的試樣的重量，g；

CHCl：HCl的濃度，mol/L；

VHCl: 溶解灰化物所需的體積，mL；

CNaOH：NaOH的濃度，mol/L；

VNaOH：滴定液里HCl所消耗的體積，mL。

2.3 儀器和試劑

(1) 儀器：ZDJ-5自動(dòng)滴定儀，馬弗爐，分析天平，烘干箱，循環(huán)水式真空泵，pH復(fù)合電極。

(2) 試劑：無水乙醇(分析純)，HCl(分析純)，NaOH(分析純)，硝酸銀(分析純)，氯化鉀(分析純)，市售羧甲基淀粉鈉。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 樣品前處理

稱取一定量的羧甲基淀粉，在70～80℃條件下用80%乙醇充分洗滌，用0.1 mol/L硝酸銀檢驗(yàn)至濾液中再無白色沉淀為止(無Cl-)，將樣品轉(zhuǎn)移至烘干箱中干燥。準(zhǔn)確稱量充分干燥后的樣品0.5000 g放入30 mL瓷坩堝中于電熱板上灰化，灰化后在馬弗爐中700℃條件下恒溫1 h，待其冷卻后取出，用少量水將殘?jiān)D(zhuǎn)移至100 mL錐形瓶中。

2.4.2 樣品測定

向上述100 mL錐形瓶中加入一定量的 0.1 mol/L HCl溶液溶解灰化物，放在電熱板上微熱，使溶液澄清，冷卻后插入pH復(fù)合電極，用濃度為0.1 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液電位滴定過量的HCl。在滴定過程中，每滴加一次滴定劑，電位滴定儀自動(dòng)測定電位值，可得到一系列滴定劑NaOH用量和相應(yīng)電位的數(shù)據(jù)。平行測定三次。

2.5 數(shù)據(jù)處理

(1)滴定曲線繪制：電位滴定法可根據(jù)滴定劑體積和電極電位的變化來繪制滴定曲線，根據(jù)體系的電位突躍來確定的滴定終點(diǎn)，可用三種方法確定終點(diǎn)。①用E-V曲線法：根據(jù)E-V曲線的拐點(diǎn)確定終點(diǎn)。②△E/△V-V曲線法：取E-V曲線的一階導(dǎo)數(shù)曲線，根據(jù)該曲線的極值點(diǎn)確定終點(diǎn)。③△2E/△2V- V 曲線法：取E-V曲線的二階導(dǎo)數(shù)曲線，根據(jù)曲線與V軸的交點(diǎn)(即△2 E/△2V=0)確定終點(diǎn)。(2)將滴定終點(diǎn)NaOH用量帶入公式計(jì)算羧甲基淀粉取代度。(3)評價(jià)方法的準(zhǔn)確度和精密度。

3 實(shí)驗(yàn)組織與運(yùn)行

為了保證實(shí)驗(yàn)有序進(jìn)行，對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，具體如下。實(shí)驗(yàn)分為4人一組共同完成，整個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃8學(xué)時(shí)完成，安排在2周時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。(1)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)：首先由老師給定選題題目范圍和實(shí)驗(yàn)要求，指導(dǎo)學(xué)生用1周時(shí)間，通過學(xué)校圖書館館藏資料及網(wǎng)上電子資源進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，經(jīng)過匯總后學(xué)生自己擬定設(shè)計(jì)方案，然后論證設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案可行性，最后在老師幫助下修改完善設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案要求包括：實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃?、儀器、試劑配制、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)。(2)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)室管理要求準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)儀器和藥品，配制主要試劑，學(xué)習(xí)儀器操作和維護(hù)方法。(3)實(shí)驗(yàn)實(shí)施：學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間網(wǎng)上預(yù)約實(shí)驗(yàn)室，自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并認(rèn)真做好記錄，整個(gè)過程指導(dǎo)教師從旁指導(dǎo)，督促學(xué)生按計(jì)劃完成實(shí)驗(yàn)。對于實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，要求學(xué)生應(yīng)能先自行查閱資料并討論解決，特殊復(fù)雜難題可分組或與指導(dǎo)教師共同研究解決。(4)實(shí)驗(yàn)總結(jié)：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要求整理歸還實(shí)驗(yàn)物品，并回收廢液。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行總結(jié)和交流。通過兩輪學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)良好。

4 實(shí)驗(yàn)考核

實(shí)驗(yàn)成績的考核則是實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果的重要體現(xiàn)，科學(xué)的考核辦法不僅能檢驗(yàn)學(xué)生對理論知識的掌握程度和實(shí)驗(yàn)操作能力，還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)提高學(xué)生解決問題的能力、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。成績考核應(yīng)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過程，根據(jù)我們專業(yè)實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)成績評定由實(shí)驗(yàn)方案(20%)、實(shí)驗(yàn)操作(30%)、實(shí)驗(yàn)記錄(20%)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(20%)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)和創(chuàng)新(10%)五部分組成，成績包括優(yōu)、良、中、及格、不及格五擋標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)培養(yǎng)和考查學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退刭|(zhì)，包括綜合運(yùn)用相關(guān)專業(yè)知識、設(shè)計(jì)與研究能力、實(shí)驗(yàn)操作技能、結(jié)果與分析能力等。

5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

在計(jì)劃時(shí)間內(nèi)，所有學(xué)生都能按計(jì)劃完成實(shí)驗(yàn)，可以準(zhǔn)確測定羧甲基淀粉取代度，測定方法的精確性、準(zhǔn)確度較好，實(shí)驗(yàn)效果良好。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性和自覺性，拓寬了學(xué)生專業(yè)知識。實(shí)驗(yàn)開展過程中，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神、協(xié)作精神，提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、操作能力，解決實(shí)際問題的能力，提升了綜合素質(zhì)。綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開展是一項(xiàng)長期的改革、探索、實(shí)踐的過程，作為實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師應(yīng)努力提高自己的知識水平和實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，堅(jiān)持不懈地推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。